地铁通信系统中的新型多系统合路平台设计与应用

2018-12-28李安庆江晋剑

安庆师范大学学报(自然科学版) 2018年4期

李安庆，江晋剑

(1.安徽邮电职业技术学院通信工程系，安徽合肥230031；2.安庆师范大学计算机与信息学院，安徽安庆246133)

目前城市建设迅速，地铁、火车站、机场、政府办公等场所都需要多网络系统接入，特别是未来10年地铁建设工程将迎来一股新高潮。地铁轨道交通要求接入系统多、覆盖面广、安装环境要求高等特点[1-5]。传统各运营商自建覆盖系统的组网方式会造成网络间的相互干扰，因此多系统合路平台（POI）解决方案应运而生，其设计理论成为研究热点。2013年国外Oldoni提出倒频谱分析法在理论上实现了精确设计[6]，2014年Macchiarella和GTamiazzo在公共腔的基础上提出了不规则排列的点阵代表耦合结构，其中谐振器排列位置可根据设计空间要求进行局部性调整，使POI内部设计更加灵活多变[7]。国内高校的科研人员在POI理论研究和设计上进行了积极探索[8]，相关通信生产企业也积极投入到POI设备研发中。结合上述理论知识及相关设计经验，根据广州地铁二号线4G通信改造工程POI定制要求，本文设计了一款10进2出POI系统实现LTE与2/3G多系统的信号合路，支持多运营商兼容与扩容，以及支持下一代通信技术，达到防强震、防滴水、易量产、模块防氧化、使用寿命长等要求。

1 产品设计可行性分析及设计指标

POI将所有的信号用一套分布系统传输，系统采用模块化设计，在保证设计指标达标的前提下要求维护和扩容方便，其结构包括合路器、电桥、隔离器等无源器件[9-12]。该系统利用多个合路器、滤波器和电桥通过特殊级联方式达到多制式信号的引入，满足收发高隔离度和高带外抑制等指标，抑制多系统信号间的干扰和外来信号的串扰[13-15]。本文设计的新型结构POI，其技术指标来源于广州地铁二号线4G通信改造工程POI定制要求，具体见表1。

POI的组成器件中大部分都是定制器件，实现时需要专门的设计研发并进行集成[16-18]，于是本文基于上述设计的指标要求设计了一款多系统合路平台，其工作原理如图1所示。

表1 多系统合路平台技术指标

图1 POI系统平台单元链路图

如图1所示，该系统由10个信源输入端口。设备的应用场景为地铁隧道，主要功能是将10个不同制式的信源合路成相同的R1、R2信号输入发射设备，各信源有一定的隔离度，互不干涉，即实现共用天馈系统的功能。由于每路信源都要实现两路相同信号到R1、R2输出，因此系统里每路都采用了电桥。电桥的功能可以实现同频信号分合路且两端口之间实现高隔离度。具体实现过程：首先对于电信CDMA、移动GSM900、联通 GSM900、移动TD-SCDMA(F/A)、联通WCDMA、移动TD-LTE经过各自对应频段3 dB电桥将信号分为两个互为等幅且具有90°相位差的信号，然后分别接入两个同样的八频合路器。对于移动 DCS1 800（1 710～1 735 MHz）、联通 DCS/LTE（1 735～1 765 MHz）、LTE1 800（1 765～1 780 MHz）这3个相连的信源频段采用的方法是使用合路器将移动 DCS1 800（1 710～1 735 MHz）、LTE1 800（1 765～1 780 MHz）先进行合路并实现隔离，再将合路器的信号电信DCS1 800（1 710～1 735 MHz）& 电信LTE1 800（1 765～1 780 MHz）通过电桥与联通DCS/LTE（1 735～1 765 MHz）进行合路并通过电桥的两个输出口分别接入八频合路器。由于3路信号合路时相互影响较大，为减小相互之前的干扰，在电桥输出口增加了隔离器，使隔离度增加，这样就实现了这3路信号的合路并有隔离功能。电信LTE2 100频段往往与相邻频段移动TD-SCDMA(F/A)、联通WCDMA相互影响，因此在信源入口采用带通滤波器对影响频段进行抑制，然后通过电桥分别接入八频合路器。两个八频合路器将8个信号进行合成。

2 产品实物安装及测试过程

POI系统平台装配图如图2所示。连接器端口类型为N-K与腔体采用紧配合的方式连接。

POI系统平台各模块安装步骤及注意事项：依次安装合路器、电桥、电缆、机箱盖，其中机箱盖需要等联调结束和测试指标满足要求，再进行安装；为保证POI结构的稳定性，电桥、合路器有多个安装孔，因器件安装孔与机箱空位略有偏差，使用螺钉固定时依次将螺钉放入安装孔并旋入两到三圈，待所有安装孔螺钉布满后再锁紧螺钉；用于固定器件的螺钉必须加平垫片和弹垫片；安装电缆时，将电缆两端的螺套旋入对应器件的连接器中，待调整好位置再使用扳手进行螺套锁紧；安装机箱盖时需使用气枪将机箱内部清理干净。产品实物如图3所示。

使用Agilent5071c矢量网络分析仪对POI系统平台的各频段驻波比、损耗、系统间端口隔离度、带外抑制度进行测试，其中联通DCS/LTE、电信LTE2100以及移动TD-LTE测试结果分别如图4、5、6所示，系统内移动DCS与联通DCS/LTE端口隔离度测试如图7所示。

由于POI包含频段多，端口测试图片过多，本文不再给出其他端口测试图片，将测量结果记录如表2所示。

图2 POI系统平台整体装配图

图3 POI系统平台实物图

图4 POI系统平台联通DCS<E频段实物测试图

图5 POI系统平台电信LTE2100频段实物测试图

图6 POI系统平台移动TD-LTE频段实物测试图

图7 移动DCS与联通DCS/LTE端口隔离度测试

表2 多系统合路平台技术指标测试记录

由表2可知，在本文所设计用于地铁通信室内分布的POI的10个通道中，插入损耗最大值5.6 dB、端口隔离度最小值92 dB、驻波比最大值1.19 dB、带外抑制度实测结果比设计指标更加优良，达到了设计要求。另外产品测试结果可与相关论文出现的类似产品测试结果进行比较[19]，该论文中提出的产品测试结果如表3所示。

由表2和3表对比可知，表3中各系统之间隔离度最小值73 dB，驻波比最大值1.28 dB，而本文设计的POI上行频段资源更加丰富，相同频段内在不增加插入损耗的情况下，各系统之间隔离度及驻波比技术指标明显提升，技术参数更加优良。